本研究给出了一个新的物理图象——关于长程相互作用效应和近程形状效应之间的耦合在高密度体系中结构形成和动力学弛豫方式。

形状各向异性广泛存在于分子、胶粒、颗粒甚至活细胞中，它对凝聚态物理中的固体设计、材料科学中的自组装和生物系统中的突发行为都具有重要意义；相互作用是物质之间建立联系的最基本的存在。通过巧妙地设计基元形状和基元间相互作用的耦合能够产生丰富的物态结构，例如塑性晶体、复杂晶格、准晶体以及玻璃态等。同时其耦合机制也会强烈影响系统的动力学响应，进而决定体系的塑性、韧性、熔融行为等弛豫特性。目前的研究表明基元间短程相互作用和基元形状的耦合主要由基元形状和密度主导的的熵效应控制。但是形状效应的范围和相互作用的尺度是可以调整的，这种调整能够产生什么样的物理图像呢？若相互作用力是长程的，如静电，磁等，体系在高密度压缩下的状态和演化又如何？

我们利用两种典型的多边形磁性粒子，巧妙地设计了一个二维的，能够保持粒子间长程相互作用的实验体系。实验上观察到，在高密度区域中粒子形状和长程相互作用之间的两种耦合模式。正方形的平行排列形成菱形结构，而三角形的不协调排列产生玻璃状态。这种耦合不仅控制着结构的形成，而且控制着决定结构弛豫模式的内部粗糙度。对于两种不同耦合的体系，我们发现，正方形系统中以缺陷参与的反平行式滑移弛豫动力学为主导，而三角形系统表现出的是由偏好结构参与的涡旋式弛豫动力学。这种耦合效应中，形状效应的范围和相互作用的不同，创造出了完全不同的结果。因此，随着密度的变化，通过巧妙的设计，来调整二者的耦合模式，可以得到无比丰富的物理图像。相比之前的研究结果，我们的研究也揭示了相互作用范围在这种耦合机制中的重要性。

正方形粒子系统六角结构——菱形结构的转化(实验和模拟)。（a）弱取向序序的六方晶格。（b）平行排列正方形粒子组成的长条纹六边形晶格。（c）菱形晶格。我们知道，近程相互作用系统中，系统最终稳定状态依赖于粒子的形状。而长程相互作用使得粒子无法直接接触，而是距离较远，形状的各向异性效应很弱，粒子的行为就像各向同性圆盘和形成直接的六角形晶体。但是，在更高的密度范围，粒子间距离逐渐缩小，由粒子形状带来的相互作用的各向异性效应强到足以产生取向序，而长程效应仍然可以保持六对称的位置序，系统最终形成了菱形结构。

正方形粒子系统的结构弛豫动力学。（a-c）三种不同密度下形成的典型的结构弛豫构型。（d-f）与图（a-c）对应的结构弛豫时的位移场图示。在所有密度下，滑动运动驱动结构弛豫。在结构弛豫过程中，由正方形形状产生的内部粗糙度Ra较小，密度的增加，正方形粒子对齐式的排列形成了两条平行排列的条带，结构弛豫呈现反向滑移运动。

三角形粒子系统结构的转化(实验和模拟)。 (a) 系统中三种局部特征结构图示。具体来说，1型结构是由反平行排列、之字连接的粒子对组成；2型结构包含一个中心粒子和7个大致反平行排列的相邻粒子；3型结构由一个中心粒子和6个相邻粒子组成，其中4个是反平行排列的。（b）实验和模拟数据中的特征结构标注。在更高的密度下，系统变成了玻璃态，这是由于形状效应和长程相互作用效应相冲突导致的。一般情况下，三角形的形状决定其倾向于两边接近的反平行排列，其能量比平行排列低；当配位数较大时，并非所有相邻粒子都能满足反平行排列，系统中出现了三种特征结构，这些多晶型在高密度下使系统呈现玻璃态。

三角形粒子系统的结构弛豫动力学。（a）和（b）系统结构驰豫后形成的典型构型。（c）和（d）与（a）和（b）相对应得结构驰豫时位移场。在整个密度区间，系统驰豫运动呈现旋涡状运动，旋涡状运动包含大平移运动与大旋转运动的耦合，大的密度是的形状效应产生的内部粗糙度较大，附近的两个涡旋沿相反方向旋转。（e-h）局部结构转变说明。系统中出现的三种特征结构是驰豫过程的重要参与者，即驰豫通过三种特征结构之间的相互转换来实现。3型结构是1型结构与2型结构之间结构转换的中介，这些途径形成一个闭环。

内部粗糙度Ra定义：我们首先确定相邻顶点的中点，然后将这些中点连接起来形成Z字形线。这个锯齿状线的标准偏差即为内部粗糙度（由粒子顶点产生的）。用平均颗粒距离a对颗粒进行重整，得到了无量纲的内部粗糙度Ra。

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